Archaeen: Archaeen: die dritte Domaine des Lebens. Archaeen: Archaeen. Archaeen. Archaeen

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1 : die dritte Domaine des Lebens : die dritte Domaine des Lebens Archebakterien oder sind Prokaryonten, die äußerlich den übrigen Bakterien ( Eubakterien ) ähneln und lange zu ihnen gerechnet wurden. Erst neue Verwandtschaftsanalysen mit molekularbiologischen Methoden haben gezeigt, daß sie neben den Eukaryonten und den Eubakterien eine geschlossene dritte Gruppe (Domaine) bilden. Eventuell ist die Ur-Eukaryontische Zelle aus einer Archaee entstanden. Unklar ist bei diesem Stammbaum die Wurzel. Liegt sie zwischen Bakterien und, würde das auf einen Ursprung der Eukaryonten aus den hindeuten. : die dritte Domaine des Lebens Ob wir von den abstammen oder die Eukaryonten eine eigenständige Linie der Evolution sind, ist umstritten. In ihrem Zellaufbau und ihrer Biochemie ähneln teils eher Eukaryonten, teils Bakterien, und in manchen Fällen haben sie einen eigenen Weg beschritten. - Eubakteriell ist z.b. das zirkuläre Chromosom und das Fehlen von Zellorganellen - Eukaryotisch ist z.b. die Promotorstruktur (der Bereich des Gens, der die Ablesung der codierenden Region reguliert, Bindungsstelle der DNA-abhängigen RNA-Polymerase) mit TATA-Box, und das Vorkommen von TBP (TATA-Box binding protein). Die rrna ähnelt der eukaryontischen, die Translation startet mit unformyliertem Methionin. Die Arche-Ribosomen haben eubakterielle Größe (70 S), aber ihre Untereinheiten bilden mit eukaryontischen Ribosomen-UE ein funktionelles Ribosom (und mit eubakteriellen UE nicht). Ungewöhnlich ist z.b. die Cytoplasmamembran: statt Fettsäureestern treten hier Ether von Fettalkoholen mit dem Glycerol auf. Ester und Ether entstehen beide durch Kondensation (Verschmelzen unter Wasseraustritt) von zwei Hydroxy- (OH-) Gruppen. Die Esterbindung läßt sich aber viel leichter wieder spalten (Verseifung), Ether sind sehr stabil. 1

2 Membranlipide der Auch die Herkunft der Fettalkohole ist nicht die Fettsäurebiosynthese (Grundbaustein mit 2 Kohlenstoffatomen), sondern der Isoprenoid-Stoffwechsel (Grundbaustein mit 5 Kohlenstoffatomen und Verzweigung). Das sieht man an den regelmäßig aus der Kette herausragenden Methylresten. Membranen der Z.T. sind zwei Glycerole über Doppelalkohole verknüpft, solche Moleküle durchspannen die ganze Membran, die dadurch ein Monolayer (eine durchgehende Schicht) ist, der mit Bilayer - (Doppelschicht-)Inseln durchsetzt ist. Die Diether können sich als Bilayer wie in der Einheitsmembran anordnen, aber die Tetraether durchspannen die ganze Membran. Das macht die - Membran besonders hitzestabil (hochschmelzend). (Die tatsächliche Struktur ist wohl die unten dargestellte Mischung aus Mono- und Bilayer.) Bezüglich der Zellwand gibt es bei sehr unterschiedliche Typen. Einige besitzen einen Sacculus aus Pseudomurein, das ebenfalls ein Glycopeptid ist. Die Verknüpfungsstellen sind anders als bei Murein, daher wirken hier β-lactamantibiotika (Penicillin) nicht. Bei anderen ist eine S-Schicht (kristalline Proteinschicht) einzige Zellwandstruktur außerhalb der Cytoplasmamembran (bei Bakterien lag die Schicht auf Mureinsacculus oder äußerer Membran). Sie bietet keinen guten mechanischen Schutz, solche sind osmotisch empfindlich. Murein und Pseudomurein im Vergleich Die S-Schicht ist bei einigen die einzige Hülle außerhalb der Cytoplasmamembran. Pseudomurein in Großaufnahme 2

3 Eukaryonten vs. Prokaryonten Die Bakterienzelle zeigt im Lichtmikroskop kaum, im EM wenige und diffuse Strukturen. Eukaryonten vs. Prokaryonten Neben dem definierenden Unterschied, dem Vorkommen eines Zellkerns, gibt es andere Unterschiede, aber auch Parallelen. Eukaryonten: Zellanhängsel Aufbau der Mikrotubuli aus α- und β-tubulin. Dynein arbeitet bei der Bewegung (unter ATP-Verbrauch) mit. Eukaryonten vs. Prokaryonten In eukaryontischen Zellen sieht man schon lichtmikroskopisch Kompartimentierung, im EM viele unterschiedliche Strukturen. Eukaryonten: Zellanhängsel Die Flagellen und Cilien der Eukaryonten sind Polymere aus dem globulären Protein Tubulin, die der Zellbewegung dienen. Anders als die starren Flagellen der Bakterien, die als Ganzes rotieren, sind die Zellanhängsel der Eukaryonten flexibel: die Flagellen bewegen sich wellenförmig, Reihen von Cilien schlagen in Wellen. Diese Anhängsel sind von der Cytoplasmamembran überzogen, befinden sich also in der Zelle. Eukaryonten: Flagellen und Cilien Flagellen und Cilien weisen ein charakteristisches 9+2 -Muster aus Mikrotubuli auf. Mehre Mikrotubuli können zu Dubletten oder Tripletten verschmolzen sein. 3

4 Eukaryonten: Zellanhängsel Eukaryonten: Zellwände Ciliaten (Pantoffeltierchen) sind völlig mit Cilien überzogen. Viele Eukaryonten haben keine Zellwand (z.b. Tiere). Ansonsten ist die Zusammensetzung sehr unterschiedlich. Peptidoglykan (Murein) wird aber nie verwendet. Am häufigsten treten reine Polysaccharide auf: Cellulose, Hemicellulosen (verzweigte Polysaccharide), Pektine (saure Zucker) bei Pflanzen, Chitin (Aminozucker) bei Pilzen, daneben auch Kalk- und Silikathüllen. Eukaryonten: Plasmamembran Wie bei Eubakterien ist das Cytoplasma der Eukaryonten von einer Einheitsmembran (Doppelschicht aus Phospholipiden) umgeben. Im Gegensatz zu Bakterien enthält die Membran Steroide (meist Cholesterol), und mehrfach ungesättigte Fettsäuren (mehrere Doppelbindungen in einer Fettsäure, z.b. Linolsäure, Linolensäure) im Phospholipid. Auch die Zellorganellen der eukaryontischen Zelle sind von Einheitsmembranen umgeben, meist von einer, Mitochondrien und Chloroplasten von zwei Membranen. (Der Zellkern ist von ER umgeben, quasi also auch durch zwei Membranschichten vom Cytoplasma getrennt.) Cytoplasma und Cytosol Cytoplasma ist alles innerhalb der Cytoplasmamembran außer dem Zellkern. Als Cytosol bezeichnet man alles innerhalb der Cytoplasmamembran, das nicht Organelle ist, also alles, was nicht von intrazellulären Membranen umschlossen ist (Cytoplasma = Protoplasma - Nukleus; Cytosol = Cytoplasma - Organellen). Häufig wird das Cytosol in der Literatur als Cytoplasma bezeichnet. Cytosol und Cytoskelett Cytosol Das eukaryontische Cytosol ist keineswegs eine homogene Flüssigkeit, sondern durch hohe Proteinkonzentration gelartig und durch das Cytoskelett strukturiert und geordnet. So liegen Enzyme eines Stoffwechselwegs in räumlicher Nachbarschaft, Substrate werden auf kürzestem Wege weitergereicht ( channeling, Kanalisieren des Metabolismus). Im Cytosol laufen viele wichtige Stoffwechselwege ab: - Glycolyse mit Substratkettenphosphorylierung (ATP- Bildung durch Glucoseverwertung) - Gluconeogenese (Neubildung von Glucose, Glycogen als Speicherstoff) - Pentosephosphatweg (Bildung von Zuckern (Ribose) und NADPH) - An freien Ribosomen werden Proteine für das Cytosol, die Mitochondrien und den Zellkern produziert 4

5 Cytoskelett Das Zellskelett besteht aus drei Komponenten: - Mikrotubuli (aus α- und β-tubulin, wie die Flagellen und Cilien) - Intermediärfilamente ( intermediäre Dicke, aus verschiedenen Proteinen, z.b. Keratin) - Mikrofilamente (Aktin) Cytoskelett Das Cytoskelett dient zur Organisation des Cytoplasmas (Anheftungspunkt für Enzyme), es (die Mikrofilamente: Aktin) erzeugt die Strömung des Cytoplasmas und kann zur Zellbewegung verwendet werden (bei Amöben: Pseudopodien) Mikrotubuli durchziehen das Cytoplasma dieser Zelle - der ausgesparte Bereich ist der Zellkern. Zellorganellen: Nukleus Der Zellkern oder Nukleus ist der Informationsspeicher der Zelle. Dort lagert die DNA, dort findet ihre Verdopplung (Replikation) und das Umschreiben in RNA (Transkription) statt. Der Zusammenbau der Ribosomenuntereinheiten (wie auch das Ablesen der ribosomalen RNA (rrna) geschieht im Nukleus in einem besonderen Bereich, dem Nukleolus. Der Kern ist von der Kernhülle umgeben, diese besteht aus Endoplasmatischem Retikulum (ER). Zugänglich ist der Kern durch die großen und komplex aufgebauten Kernporen. Zellorganellen: Nukleus Der Nukleolus erscheint als besonders dichte Struktur im Kern. Die Kernporen (u.r.) zeigen schon im EM-Bild interessante Strukturen. Kernporen Die aufwendige Konstruktion kontrolliert den Ein- und Ausstrom von Proteinen und Nukleinsäuren. Zellorganellen: Nukleus Die DNA ist im Kern eng gepackt. Hier wird sichtbar, welche gewaltige Länge die DNAStränge haben. 5

6 Zellorganellen: Nukleus Zellorganellen: ER Das Endoplasmatische Retikulum (ER) ist ein Netzwerk von Röhren und Schichten, das sehr unterschiedlich aussehen kann. Zur kompakten DNA-Packung trägt die Nukleosomenstruktur bei. Die DNA ist um einen Kern aus basischen (also gegengeladenen) Proteinen, den Histonen, gewickelt. Die einzelnen Nukleosomen sind durch kurze DNA-Abschnitte ( Linker ) verbunden, das sieht im EM wie Perlen an einer Kette aus. Der DNA/ Protein-Komplex heißt Chromatin. Zellorganellen: ER Ein Teil des ER ist mit Ribosomen besetzt und erscheint deshalb rauh (rauhes ER, rer), der Rest ist ribosomenfrei (glattes ER, ser (smooth)). Das glatte ER dient der Synthese von Membranlipiden. Am rauhen ER werden Proteine synthetisiert und durch spezielle Poren ins ER eingeschleust. Für die korrekte Faltung der neuen Proteine sorgen Chaperones im ER, Proteine, die ein Verkleben fehlgefalteter Proteine verhindern. Die am ER translatierten Proteine sind für den Export aus der Zelle (Sekretion) oder für andere Organelle (Lysosomen, Endosomen, Peroxisomen) bestimmt. Zellorganellen: Golgi-Apparat Im Golgi-Apparat werden die am ER gebildeten Proteine gereift, insbesondere glycosyliert (Zuckerreste werden angehängt). Das geschieht in Unterabteilungen, dem cis-, dem medialen- und dem trans-golgi. Die Proteine werden in Vesikeln (also membranumgebenen Bläschen) von Stufe zu Stufe transportiert. Zellorganellen: Lysosomen/Vakuole Lysosomen sind Magen der Zelle. Aufgenommene Stoffe (bis zu ganzen Zellen) und Müll aus der Zelle werden in ihre Bestandteile (Aminosäuren, Nucleoside, Monosaccharide) zerlegt und wiederverwendet. Wie im Magen ist es in den Lysosomen sauer (ph 4,8-5). Lysosomale Enzyme arbeiten im Sauren am besten, wenn sie in die übrige Zelle (neutraler ph) gelangen, sind sie wenig aktiv und machen dadurch weniger Schaden. Lysosomen kommen als zahlreiche Vesikel in der Zelle vor. In Hefe liegt nur ein großes Lysosom vor, das Vakuole genannt wird. Lysosomen Reife (sekundäre) Lysosomen entstehen durch Verschmelzung von enzymhaltigen Vesikeln (den primären Lysosomen) und Vesikeln mit dem Abbaumaterial (Autophagosomen mit zelleigenem Material, Endosomen mit phagozytierten Stoffen) 6

7 Zellorganellen: Peroxisomen Ein weiteres Organell in der eukaryontischen Zelle, das Peroxisom, dient dem Abbau von Fettsäuren und Aminosäuren. Dabei entsteht Wasserstoffperoxid, das vor Ort durch Katalase (Wasserstoffperoxid > Wasser + Sauerstoff) und Peroxidasen entgiftet wird. Weitere Zellorganellen Weitere Organelle sind die Glyoxysomen, die die Enzyme des Glyoxylatcyklus (zum Einschleusen von Acetat in die Gluconeogenese) enthalten, Glycosomen, die sich auf Zuckerabbau spezialisiert haben, und Endosomen (Bild e/f), ein Zwischenlager bei der Stoffverteilung von und zum Golgi- Apparat (a), Lysosomen und Zelläußeren (c/g, phagozytierte Stoffe gelangen zuerst ins Endosom). Endocytose Rezeptorgebundene Stoffe werden in Vertiefungen (coated pits) konzentriert und in Vesikeln (coated vesicles) aufgenommen, die mit dem Protein Clathrin umhüllt sind. Durch Entfernen der Clathrinhülle entstehen uncoated vesicles. Der Rezeptor kann durch ph-erniedrigung vom gebundenen Stoff abgelöst und intakt wiederverwendet werden. Zellorganellen: Mitochondrien und Chloroplasten Mitochondrien und Chloroplasten sind mit großer Wahrscheinlichkeit Bakterien, die mit der eukaryontischen Zelle ein Zweckbündnis eingegangen sind (Endosymbiontentheorie). Sie besitzen noch ein eigenes Genom (DNA), sind aber nicht mehr selbstständig lebensfähig, weil sie die meisten ihrer Gene in den Zellkern transferiert haben und daher die meisten Proteine importieren müssen*. Mitochondrien und Chloroplasten sind von zwei Membranschichten umgeben. Die innere (sehr undurchlässige und extrem proteinreiche: >80% Protein) stammt vermutlich vom Bakterium, die äußere (durchlässig bis D) von der Wirtszelle. Zellorganellen: Mitochondrien und Chloroplasten *Obwohl die Mitochondrien und Chloroplasten wenig DNA und nur wenige Gene enthalten, müssen sie doch diese DNA verdoppeln (Replikation), in RNA umschreiben (Transkription) und an ihren (70S-) Ribosomen in Proteine übersetzen (Translation). Mitochondrien sind die Energieerzeuger der Zelle. An der inneren Membran läuft die Zellatmung ab, ein Protonengradient wird erzeugt, der zur ATP-Synthese dient. Um die Oberfläche zu vergrößern, ist die innere Membran stark gefaltet (zu Cristae ). Innen ( Matrix ) sind die DNA, Ribosomen und Enzyme des Citratzyklus. Im Citratzyklus wird Acetat (Endprodukt der Glycolyse und des Fettabbaus) zu CO 2 abgebaut, dabei entstehen Reduktionsäquivalente (NADH, FADH 2 ), Brennstoffe für die Zellatmung. Mitochondrien 7

8 Mitochondrien Wichtige Stoffwechselwege und Transportvorgänge Zellorganellen: Chloroplasten An den Membranstapeln der Chloroplasten (Thylacoidmembran) läuft die Photosynthese statt, die Erzeugung von Kohlenhydraten aus Kohlendioxid mit Licht als Energiequelle. Schlüsselenzym des Calvin-Zyklus (CO 2 -Fixierung) ist die Ribulosebisphosphatcarboxylase im Stroma, die 50% des Chloroplasten-Proteins ausmacht. 8